[实用新型]用于纳米薄膜表面测量的变入射角度光谱椭偏成像装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种椭偏测量装置；特别是涉及一种对具有复杂横向结构的块状材料表面或纳米薄膜样品表面上各点，同时进行光谱椭偏分析的变入射角度光谱椭偏成像装置。

背景技术

光波在材料界面反射时，反射光波的偏振态受表面调制会发生变化，当反射界面上存在超薄膜样品时，光波的偏振态会发生显著的变化。椭偏测量方法正是通过测量这一变化来得到样品的信息(如，折射率和厚度)，它具有两个显著的优点：(1)对样品无扰动、无破坏性，因此可进行实时测量、离体乃至在体测量；(2)极高的测量灵敏度，可以达到原子层量级的检测分析水平。因此，该方法已经成为一种研究纳米层构材料的有效方法，广泛应用于微电子工业、表面材料和生物医学等领域。

色散是材料的基本特性之一，因此，光谱椭偏测量已成为椭偏测量的重要分支。光谱椭偏可高精度、高准确性地给出材料的椭偏参数与光谱的依赖关系，利用这些参数可以对材料进行多方面的研究，如：(a)材料(包括半导体、金属、甚至只出现在薄膜上的宽带隙材料)的介电函数(例如，作为波长函数的光学介电常数的实部和虚部)，这是目前准确度最高的方法；(b)可以达到原子层分辨率的界面、薄膜或多层膜厚度的结构分布；(c)对一些合成或合金层(块状、薄膜或表面)的成份分析；(d)纳米膜层的表面微粗糙度研究；(e)半导体材料在制备中的真实的表面附近温度的研究；(f)对静态块状材料和薄膜进行电子或振动结构的分析。目前的光谱椭偏测量基本是单光束测量，其特点是测量结果是光束范围内的样品参数的平均值。由于光束直径在几十微米以上，因此该方法的横向分辨率低，限制了应用。

随着微、纳器件研究的需求和发展，需要对同一基片上由一种或多种不同性质材料制备的复杂微结构的表面分布(如微纳表面器件和高通量生物芯片等)进行光谱特性研究。采用单点光谱椭偏仪结合机械扫描技术可以对整个样品进行逐点测量，可参见文献〔1〕：Spatially resolved ellipsometry，M.Erman and J.B.Theeten，Journal of Applied Physics，1986，69(3)：859-873〕。该技术只能对几十微米以上的结构进行分辨，无法得到更加精细的表面信息；另一方面，采用机械扫描时耗时多，如在一个波长下测量一个面积为15×25mm的样品，扫描步距为20微米时，需要数小时的时间才可完成，很难满足实际应用中对快速测量的需求。因此发展快速的光谱椭偏测量技术成为迫切的需求。

为了提高对样品的空间分辨率和测量速度，满足对具有横向空间精细结构分布的样品(如，集成表面格式化器件或生物芯片等)进行检测的应用场合，近年来发展了椭偏成像技术，可参考文献〔2〕：Detection of thickness uniformity offilm layers in semiconductor devices by spatially resolved ellipso-interferometry，Teruhito Mishima，Kwan C.Kao，Optical Engineering，1982，21(6)：1074-1078。该技术在保持椭偏测量非接触、高灵敏测量优点的基础上，还具有：(1)横向分辨提高到亚微米水平(最高可达到光学衍射极限的水平)；(2)可以对大面积样品上的各点同时进行快速椭偏测量分析，因此可显示样品表面参数(如，折射率、厚度、分子表面密度等)的空间分布。目前，椭偏成像的发展和应用集中在单波长上和少数几个分立波长上。

因此将光谱分辨和空间分辨特性进行结合对表面和界面可以同时提供样品的光谱和空间分布信息，已成为一种发展的趋势。